JP2011029010A - リチウムイオン二次電池システムおよび管理装置への電力供給方法 - Google Patents

リチウムイオン二次電池システムおよび管理装置への電力供給方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 停電時などにおいて管理装置の電源を確保しつつ、リチウムイオン二次電池の過放電による不具合を防止する。
【解決手段】 少なくとも組電池3が負荷設備102に電力を供給する際に、組電池3から管理装置4〜6に電力を供給し、リチウムイオンセル2の電圧が負荷設備102への電力供給を停止すべき放電終止電圧VL1に達しても、組電池3から管理装置4〜6への電力供給を継続する。さらに、リチウムイオンセル2の電圧が放電終止電圧VL1よりも低くリチウムイオンセル2を保護するために必要な電圧である保護電圧VL3に達した場合には、組電池3から管理装置4〜6への電力供給を停止する。
【選択図】 図1

Description

この発明は、リチウムイオン二次電池を監視などする管理装置を備えたリチウムイオン二次電池システムおよび、この管理装置への電力供給方法に関する。
例えば、鉛蓄電池(セル)を複数接続した組電池に対して、各鉛蓄電池の状態や組電池全体の状態を監視、解析する管理装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、近年、鉛蓄電池などに比べてエネルギー密度が高い、自己放電量が少ない、などという利点を有するリチウムイオン二次電池が、自動車用蓄電池や電気・電子機器用蓄電池などとして広く使用されている。このような鉛蓄電池やリチウムイオン二次電池などでは、その特性、容量および放電電流などに応じて、放電を終了させるべき仕様上の放電終止電圧が規定、設定され、この放電終止電圧で放電を終了させることで、電池の過放電を防止して、電池を適正に運用できるようになっている。
特開2000−048861号公報
ところで、商用電源からの電力供給が停止する停電時などにおいて、上記のような管理装置の電源を確保するために、電池から管理装置に電力を供給することが望ましい。しかしながら、地震などの災害によって商用電源の復旧に長時間を要する場合や、管理装置の設置場所に赴いて管理装置を停止できない場合などには、長時間にわたって電池から管理装置に電力が供給されることが想定される。このような場合、電池の電圧が放電終止電圧を超え、さらに低い電圧まで電池が放電する。つまり、電池が過放電状態となり、その後に回復充電を行っても電池が回復、充電されない場合が生じる。
殊に、リチウムイオン二次電池では、ある一定の電圧まで過放電すると、正極のコバルトが溶出したり、陰極(負極)の集電体の銅が溶出したりして、二次電池として機能しなくなり、さらには異常発熱に至るおそれがある。このため、電池から管理装置に電力を供給する場合に、特にリチウムイオン二次電池では、いつ電池から管理装置に電力を供給し、どの程度まで電池を放電させるかを適正に規制、制御する必要があると、本出願人は考えるに至った。
そこでこの発明は、停電時などにおいて管理装置の電源を確保しつつ、リチウムイオン二次電池の過放電による不具合を適正に防止することが可能なリチウムイオン二次電池システムおよび管理装置への電力供給方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、放電して負荷設備に電力を供給するリチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池を少なくとも監視する管理装置と、を備えたリチウムイオン二次電池システムであって、少なくとも前記リチウムイオン二次電池が前記負荷設備に電力を供給する際に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置に電力を供給し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記負荷設備への電力供給を停止すべき放電終止電圧に達しても、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を継続し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記放電終止電圧よりも低く前記リチウムイオン二次電池を保護するために必要な電圧である保護電圧に達した場合に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を停止するように、前記リチウムイオン二次電池と前記管理装置とが接続されている、ことを特徴とする。
この発明によれば、リチウムイオン二次電池から負荷設備に電力を供給する際には、リチウムイオン二次電池から管理装置にも電力が供給され、リチウムイオン二次電池の電圧が放電終止電圧に達すると、負荷設備への電力供給が停止される一方、管理装置への電力供給は継続される。さらに、リチウムイオン二次電池の電圧が保護電圧に達すると、管理装置への電力供給が停止される。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池システムにおいて、前記リチウムイオン二次電池はフロート充電運用され、前記リチウムイオン二次電池がフロート充電時においては、フロート充電の充電源から前記管理装置に電力を供給するように、前記充電源と前記管理装置とが接続されている、ことを特徴とする。
この発明によれば、リチウムイオン二次電池のフロート充電時には、フロート充電の充電源からリチウムイオン二次電池と管理装置とに電力が供給され、リチウムイオン二次電池から負荷設備に電力を供給する際には、リチウムイオン二次電池から管理装置に電力が供給される。
請求項3に記載の発明は、放電して負荷設備に電力を供給するリチウムイオン二次電池を少なくとも監視する管理装置への電力供給方法であって、少なくとも前記リチウムイオン二次電池が前記負荷設備に電力を供給する際に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置に電力を供給し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記負荷設備への電力供給を停止すべき放電終止電圧に達しても、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を継続し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記放電終止電圧よりも低く前記リチウムイオン二次電池を保護するために必要な電圧である保護電圧に達した場合に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を停止する、ことを特徴とする。
請求項1および3に記載の発明によれば、商用電源の停電などにより、リチウムイオン二次電池から負荷設備に電力を供給する際には、リチウムイオン二次電池から管理装置にも電力が供給されるため、管理装置の電源を確保することができる。また、リチウムイオン二次電池の電圧が放電終止電圧に達して、負荷設備への電力供給が停止されても、管理装置への電力供給は継続されるため、管理装置の電源を確保してリチウムイオン二次電池の監視等を継続することができる。さらに、リチウムイオン二次電池の電圧が保護電圧に達すると、管理装置への電力供給が停止されるため、リチウムイオン二次電池の過放電による不具合を適正、確実に防止することが可能となる。
請求項2に記載の発明によれば、リチウムイオン二次電池のフロート充電時には、フロート充電の充電源から管理装置に電力が供給されるため、リチウムイオン二次電池の容量を消費することなく、管理装置の電源を確保することができる。
この発明の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池システムを整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。 図1のシステムのセルコントローラを示す概略構成図である。 図1のシステムの組電池管理ユニットを示す概略構成ブロック図である。 図1のシステムの放電時の処理、作用を示すフローチャートである。 図4の続きを示すフローチャートである。
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図1は、この発明の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池システム1を整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。このリチウムイオン二次電池システム1は、放電して負荷設備102に電力を供給する単電池であるリチウムイオンセル(リチウムイオン二次電池)2が、複数直列に接続されて組電池3が構成され、この組電池3を監視、管理する管理装置を備える。ここで、組電池3は、フロート充電で使用・運用され、通常時は常に充電状態となっている。
管理装置は、主として、セルコントローラ4と、組電池管理ユニット5と、監視装置6とを備えている。また、この実施の形態では、6〜13個程度のリチウムイオンセル2を直列に接続して組電池3が構成され、このような組電池3が、並列に接続された充電スイッチ71および放電スイッチ72を介して、交流直流変換器101と負荷設備102との間に接続されている。
セルコントローラ4は、各リチウムイオンセル2の電圧や温度などのセル状態を測定、監視するとともに、各リチウムイオンセル2の充電電圧が所定値内になるように調整するものである。具体的には、図2に示すように、各リチウムイオンセル2に配設された測定調整部41と、各測定調整部41と通信可能に接続されたモジュール管理部42とを備えている。測定調整部41は、リチウムイオンセル2の電圧(充電中の電圧、放電中の電圧)や温度、後述するバイパス回路部に流れるバイパス電流などを測定する測定器部と、充電電流をバイパスさせるとともにリチウムイオンセル2を放電させるバイパス回路部とを備えている。そして、測定器部で測定されたリチウムイオンセル2の充電電圧が所定電圧よりも高い場合に、バイパス回路部によって充電電流のバイパスとセル2の放電とを行って電圧を下げ、充電電圧を所定電圧内に調整するようになっている。また、モジュール管理部42は、各測定調整部41を制御するとともに、各測定調整部41で測定されたリチウムイオンセル2の電圧や温度などのセル状態を、リアルタイムに組電池管理ユニット5に送信する機能を備えている。
組電池管理ユニット5は、セルコントローラ4から受信したセル状態を解析するとともに、組電池3の充電電流や放電電流、総電圧などの組電池状態を監視、解析するものである。具体的には、図3に示すように、主として、計測器群51と、通信部52と、入力部53と、警報部54と、制御部55と、これらを制御などする中央処理部56とを備えている。
計測器群51は、組電池3の充電電流や放電電流を計測する電流計や、組電池3の総電圧(充電中の電圧、放電中の電圧)を計測する電圧計などの計器から構成されている。通信部52は、セルコントローラ4および監視装置6とデータ通信を行うための通信インターフェイスであり、セルコントローラ4からセル状態などを受信したり、セル状態や組電池状態などを監視装置6に送信したりするものである。入力部53は、中央処理部56で後述するようにして解析、処理するための判断基準値(閾値)、具体的には、リチウムイオンセル2の仕様容量や許容温度および、組電池3の許容最大放電電流Idや後述する保護電圧VL2、VL3などを入力、設定するものである。なお、これらの値は、予め設定、入力しておいてもよい。
警報部54は、中央処理部56によってリチウムイオンセル2の異常あるいは組電池3全体の異常などと判断された場合に、警報を発するものであり、LEDランプや警報ブザーなどで構成されている。また、リチウムイオンセル2が異常の場合には、該当するリチウムイオンセル2を表示するようになっている。制御部55は、中央処理部56による後述するような解析・処理結果に基づいて、充電スイッチ71や放電スイッチ72などに制御信号(開閉信号)を送信するものである。
中央処理部56は、セルコントローラ4から受信したセル状態や、計測器群51で計測された組電池状態などに基づいて、警報部54の制御、制御部55(スイッチ71、72、81、82)およびセルコントローラ4への指令送信などを行うものである。具体的には、後述するようにリチウムイオン二次電池システム1が作用、動作し、後述する管理装置への電力供給が行われるように、処理を行う。
充電スイッチ71は、組電池3をフロート充電する充電源と組電池3との接続を接離するスイッチである。すなわち、図1に示すように、商用電源100からの電力が交流直流変換器101で直流に変換され、充電スイッチ71を介して組電池3に供給されるようになっている。この充電スイッチ71は、通常、オン(接続)状態となっている。
放電スイッチ72は、組電池3から電力を供給される負荷設備102と組電池3との接続を接離するスイッチである。すなわち、組電池3からの電力が、放電スイッチ72を介して負荷設備102に供給されるようになっている。この放電スイッチ72は、直列に接続されたスイッチ本体721とダイオード722とから構成され、ダイオード722は、組電池3からの電流の流れのみを許容する機能を有する。そして、通常時はスイッチ本体721がオン状態で、組電池3からの放電が常時可能であり、放電スイッチ72を介して組電池3には電力が供給されないようになっている。
これらの充電スイッチ71と放電スイッチ72とは、組電池管理ユニット5によって制御されるようになっている。すなわち、上記のように、組電池管理ユニット5の中央処理部56による解析・処理結果に基づき、制御部55から制御信号が送信されると、これを受けて充電スイッチ71および放電スイッチ72が開閉するものである。
監視装置6は、組電池管理ユニット5からセル状態や組電池状態、および中央処理部56による解析・処理結果などを受信、収集し、これらのデータを蓄積する装置である。また、この監視装置6は、蓄積したデータを出力(表示、印刷等)したり、集計したりする機能を備えている。さらに、監視装置6は、LAN回線、公衆回線等を利用してデータを遠隔地の監視センタ等に転送できる機能を備えている。
以上のようなセルコントローラ4、組電池管理ユニット5および監視装置6には、組電池3がフロート充電時においては、フロート充電の充電源から電力が供給され、組電池3から負荷設備102に電力を供給する際には、組電池3から電力が供給されるようになっている。すなわち、組電池3と並列に直流直流変換器8が接続され、この直流直流変換器8に対してセルコントローラ4、組電池管理ユニット5および監視装置6が並列に接続されている。直流直流変換器8は、交流直流変換器101および組電池3からの直流電力をセルコントローラ4などに適した直流電力に調整する変換器であり、セルコントローラ4と組電池管理ユニット5は第1のスイッチ81を介して接続され、監視装置6は第1のスイッチ81と第2のスイッチ82を介して接続されている。そして、後述するようにして、中央処理部56によってスイッチ81、82が開閉され、フロート充電時には商用電源100から電力が供給され、停電時には組電池3から電力が供給されるようになっている。
次に、このような構成のリチウムイオン二次電池システム1の作用、動作および、管理装置への電力供給方法について、説明する。
まず、組電池3のフロート充電時では、充電スイッチ71と放電スイッチ72および第1のスイッチ81と第2のスイッチ82が、すべてオン(閉)状態となっており、商用電源100から電力が、交流直流変換器101および充電スイッチ71を介して組電池3に供給される。同時に、商用電源100から電力が、交流直流変換器101、充電スイッチ71、直流直流変換器8および第1のスイッチ81を介してセルコントローラ4と組電池管理ユニット5に供給され、さらに第2のスイッチ82を介して監視装置6に供給される。また、負荷設備102には、商用電源100からの電力が交流直流変換器101を介して供給される。
次に、商用電源100からの電力供給が停止(停電)すると、組電池3が放電を開始し、組電池3から放電スイッチ72を介して電力が負荷設備102に供給される。同時に、直流直流変換器8と第1のスイッチ81を介して、組電池3からセルコントローラ4と組電池管理ユニット5に電力が供給され、さらに第2のスイッチ82を介して監視装置6に電力が供給される。
このような放電モードでは、図4、5に示すように、まず、組電池管理ユニット5の中央処理部56において、充電電流がゼロ以上であるか否かが判断され(ステップS1)、充電電流がゼロ以上の場合、つまり商用電源100が回復して組電池3に電力が供給された場合には、充電モードに移り、上記のようなフロート充電が行われる。一方、充電電流がゼロ以上でない場合、つまり放電が継続中の場合には、次の3つの要件を満たすか否かが判断される。すなわち、すべてのリチウムイオンセル2の温度が上限温度Th℃以下であるか(ステップS2)、放電電流が許容最大放電電流Id以下であるか(ステップS3)、各セル2の電圧が放電終止電圧VL1以上であるか(ステップS4)、が判断される。
ここで、上限温度Th℃とは、セル2を安全に使用、運用できる上限の温度であり、許容最大放電電流Idとは、セル2の特性、仕様容量に応じて許容できる最大の放電電流である。また、放電終止電圧VL1とは、負荷設備102への電力供給を停止すべき仕様上の電圧であり、リチウムイオンセル2の仕様容量、放電電流などによって設定される。そして、これらの要件を満たす場合(ステップS2〜S4で「Y」の場合)には、ステップS1に戻り、同様の処理を繰り返す。
一方、いずれかの要件を満たさない場合(ステップS2〜S4のいずれかで「N」の場合)、例えば、いずれかのセル2の電圧が放電終止電圧VL1よりも低下すると、中央処理部56によって、警報部54から警報が発生されるとともに、放電スイッチ72のスイッチ本体721がオフ(開)さる。同時に、充電スイッチ71がオフされて、負荷設備102への電力供給が停止される(ステップS5)。
この状態では、組電池3からセルコントローラ4、組電池管理ユニット5および監視装置6に対する、電力供給は継続される。そして、いずれかのセル2の電圧が第1の保護電圧VL2よりも低くなった場合(ステップS6で「N」の場合)には、中央処理部56によって第2のスイッチ82がオフされ、監視装置6への電力供給が停止される(ステップS7)。その後も、組電池3からセルコントローラ4および組電池管理ユニット5に対する、電力供給は継続される。そして、いずれかのセル2の電圧が第2の保護電圧VL3よりも低くなった場合(ステップS8で「N」の場合)には、中央処理部56によって第1のスイッチ81がオフされ、セルコントローラ4および組電池管理ユニット5への電力供給が停止される(ステップS9)。
ここで、保護電圧VL2、VL3は、放電終止電圧VL1よりも低く、第2の保護電圧VL3は、リチウムイオンセル2を保護するために必要な最低限の電圧であり、リチウムイオンセル2の特性、周囲温度などによって設定される。すなわち、リチウムイオンセル2の電圧(開放電圧)が第2の保護電圧VL3よりも低くなると、回復充電を行ってもセル2が充電されない、あるいは異常発熱を生じるなどの不具合が生じるおそれがあり、そのような電圧閾値に第2の保護電圧VL3が設定されている。また、第1の保護電圧VL2は、放電終止電圧VL1と第2の保護電圧VL3の中間の値に設定されている。このように、2つの保護電圧VL2、VL3を設け、いずれかのセル2の電圧が第1の保護電圧VL2よりも下がった場合に、監視装置6への電力供給のみを停止するのは、セルコントローラ4と組電池管理ユニット5は、組電池3を監視し、安全に運用・制御する上で重要な装置であるため、できるだけ永く起動を継続することが望ましいからである。
ところで、リチウムイオンセル2は、自己放電量が極めて小さいため、放電を終了すれば、その後長時間放置しても開放電圧が大きく下がることがないため、第2の保護電圧VL3で放電を停止させれば、それよりも電圧が下がることによる不具合の発生は少ない。このため、安全性を考慮して、セル2を保護するために必要な最低限の電圧よりも高い電圧に第2の保護電圧VL3を設定する必要性は少ないが、周囲環境などによっては、やや高い電圧に設定してもよい。
このような処理が充放電のたびに行われ、同時に、組電池管理ユニット5から監視装置6に対して、セル状態や組電池状態、解析・処理結果などが逐次送信され、監視装置6にてこれらのデータが蓄積、集計される。そして、蓄積されたデータを解析することで、二次電池システム1全体をより安全、適正に運用することが可能となるものである。
以上のように、このリチウムイオン二次電池システム1および管理装置への電力供給方法によれば、組電池3のフロート充電時、つまり商用電源100の停電などがない場合には、商用電源100から管理装置に電力が供給される。このため、組電池3の容量を消費することなく、管理装置の電源を確保することができる。一方、商用電源100が停電した場合には、組電池3から負荷設備102に電力が供給されると同時に、組電池3から管理装置にも電力が供給されるため、管理装置の電源を確保することができる。
また、組電池3の電圧が放電終止電圧VL1に達して、負荷設備102への電力供給が停止されても、管理装置への電力供給は継続されるため、管理装置の電源を確保して組電池3や各セル2の監視、制御などの管理を継続することができる。さらに、いずれかのセル2の電圧が第2の保護電圧VL3よりも低くなると、管理装置全体への電力供給が停止されるため、リチウムイオンセル2の過放電による不具合を適正、確実に防止することが可能となる。
ここで、組電池3からの放電が継続するケースとして、地震などの災害時が想定される。すなわち、災害時には、商用電源100の復旧に長時間を要するため、組電池3が回復充電されない状態が続き、さらに、作業員などが組電池3や管理装置の設置場所に赴いて、管理装置を停止できない状況が続く。このため、長時間にわたって組電池3から管理装置に電力が供給され続けることが想定される。そして、このような災害時でも、この実施の形態によれば、組電池3や各セル2の管理を継続しつつ、リチウムイオンセル2の過放電による不具合を適正に防止することができるものである。
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、リチウムイオン二次電池システム1を整流装置に適用する場合について説明したが、無停電電源装置(UPS:Uniterruptible Power Sypply)や電気自動車など、その他の設備に適用することもできる。このとき、適用する設備に応じて、リチウムイオンセル2や組電池3の数などを調整する。例えば、無停電電源装置に適用する場合、上記のような組電池3を複数並列に接続し、それぞれの組電池3に対して、セルコントローラ4、組電池管理ユニット5、充・放電スイッチ71、72などを配設し、各組電池管理ユニット5と監視装置6とをデータ通信可能に接続して、二次電池システム1を構成する。
また、上記の実施の形態では、商用電源100の停電時にのみ、つまり組電池3から負荷設備102への電力供給時にのみ、組電池3から管理装置に電力を供給しているが、その他のタイミングで、組電池3から管理装置に電力を供給してもよい。例えば、組電池3を電気自動車用蓄電池として使用する場合に、負荷設備である自動車への放電時のみならず、自動車の駐車時や組電池3の充電時などにおいても、組電池3から管理装置に電力を供給してもよい。また、いずれかのセル2の電圧が第2の保護電圧VL3よりも低くなった場合に第1のスイッチ81をオフしているが、直流直流変換器8の最低駆動電圧を第2の保護電圧VL3に設定し、いずれかのセル2の電圧が第2の保護電圧VL3よりも低くなった場合に、直流直流変換器8が駆動しないようにしてもよい。これにより、第1のスイッチ81がオンしているため、商用電源100が復旧した際に、セルコントローラ4および組電池管理ユニット5が自動起動し、セル状態や組電池状態などのデータを保守者などに提供することができる。さらに、リチウムイオンセル2を複数接続して組電池3として使用、運用する場合について説明したが、リチウムイオンセル2を単電池として使用、運用する場合にも、適用できることは勿論である。
1 リチウムイオン二次電池システム
2 リチウムイオンセル(リチウムイオン二次電池)
3 組電池
4 セルコントローラ(管理装置)
5 組電池管理ユニット(管理装置)
6 監視装置(管理装置)
71 充電スイッチ
72 放電スイッチ
8 直流直流変換器
81 第1のスイッチ
82 第2のスイッチ
100 商用電源
101 交流直流変換器
102 負荷設備

Claims (3)

  1. 放電して負荷設備に電力を供給するリチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池を少なくとも監視する管理装置と、を備えたリチウムイオン二次電池システムであって、
    少なくとも前記リチウムイオン二次電池が前記負荷設備に電力を供給する際に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置に電力を供給し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記負荷設備への電力供給を停止すべき放電終止電圧に達しても、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を継続し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記放電終止電圧よりも低く前記リチウムイオン二次電池を保護するために必要な電圧である保護電圧に達した場合に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を停止するように、前記リチウムイオン二次電池と前記管理装置とが接続されている、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
  2. 前記リチウムイオン二次電池はフロート充電運用され、
    前記リチウムイオン二次電池がフロート充電時においては、フロート充電の充電源から前記管理装置に電力を供給するように、前記充電源と前記管理装置とが接続されている、ことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池システム。
  3. 放電して負荷設備に電力を供給するリチウムイオン二次電池を少なくとも監視する管理装置への電力供給方法であって、
    少なくとも前記リチウムイオン二次電池が前記負荷設備に電力を供給する際に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置に電力を供給し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記負荷設備への電力供給を停止すべき放電終止電圧に達しても、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を継続し、前記リチウムイオン二次電池の電圧が前記放電終止電圧よりも低く前記リチウムイオン二次電池を保護するために必要な電圧である保護電圧に達した場合に、前記リチウムイオン二次電池から前記管理装置への電力供給を停止する、
    ことを特徴とする管理装置への電力供給方法。
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